オプトジェネティックスを用い、癌は増殖シグナル伝達のタイミングの変化が鍵であることを発見

2018年8月29日にサイエンスのオンラインで公開された新研究で、非小細胞肺癌（NSCLC）での遺伝子変異は、細胞の主要な増殖シグナルの認識を妨げて、腫瘍形成を促進する可能性があると報告された。この論文は、「癌突然変異と標的薬物は、Ras-Erk経路によるダイナミックシグナルエンコーディングを混乱させる可能性がある（Cancer Mutations and Targeted Drugs Can Disrupt Dynamic Signal Encoding by the Ras-Erk Pathway.）」と題されている。

製品＆サービス

GreenPharma（バイオアソシエイツ株式会社）

新規天然化合物リードが含まれる可能性が高い200植物を厳選：Greenpharma 植物抽出物ライブラリー

この製品について詳しく知る

カリフォルニア大学サンフランシスコ校（UCSF）の研究者が率いるこの研究は、多くのヒト癌の根底にある欠陥メカニズムを理解し、欠陥メカニズムを最終標的とする重要な意味を持つ可能性がある。健常細胞は、いつ、どのように増殖、分裂、および移動するかについて外部の手がかりを解釈するために、Ras / Erk増殖シグナル伝達経路（Ras / MAPK経路）に依存するが、これらのメッセージが伝達される際の欠陥は、 制御不能に陥り、身体の他の部分へ浸潤する原因となりうる。このような突然変異は、大多数のヒト癌で発見され、Ras / Erkの治療法を開発は、癌研究の至高の目標である。

何十年もの研究により、科学者は、突然変異により経路の1つ以上のコンポーネントが成長前の状態から抜け出せなくなった場合に、Ras / Erkによる癌が生じると考えている。研究者らは、これらの壊れたスイッチを元に戻す標的治療法を開発するために努力してきたが、これまでのところほとんどが臨床試験に失敗している。

現在、光パルスを用いてRas / Erkシグナル伝達を制御し、ゲノム動態を迅速に読み取ることが可能なUCSFで開発されたハイスループット技術を用い、この広範囲に研究された経路について驚くべき発見をした。オプトジェネティックス（Optogenetics：光感受性タンパク質が光パルスに応答するように細胞内で遺伝子操作されるアプローチ）は、神経科学における革新的な実験技術であり、研究者はニューロンのネットワーク内の電気活動パターンを精緻に制御し研究することができる。

同じアプローチを使用することによって個々の細胞内の化学伝達パターンを探索する新しいUCSFの研究は、いくつかのRas / Erk突然変異が、細胞増殖シグナルの強度よりむしろタイミングを変えることによって癌を引き起こすことを明らかにした。 シグナルタイミングのこのぼやけが、欠陥Ras / Erkシグナル伝達を遮断するように設計された一部の標的薬物が逆説的に経路を活性化し、潜在的に新しい腫瘍形成のリスクを高める理由も示された。
「この新しい技術は疾患細胞に接続する診断装置のようなもので、多くの光に基づく刺激で細胞を刺激して調べ、それがどのように反応するか見ることができる。」「このアプローチを使用することで、細胞回路によって通常はフィルタリングされたシグナルに応答して細胞増殖につながるシグナル、すなわち振る舞いを処理する方法において、ある欠陥を有する癌細胞を同定することができた。」と論文著者の1人であるUCSF合成生物学者のWendell Lim博士は語った。

UCSFの医学腫瘍専門医および癌生物学者であるTrever Bivona博士、プリンストンの分子生物学者Jared Toettcher博士（元Lim研究室のポスドク研究員）は、この新研究の共著者である。 この研究の筆頭著者は、ペンシルバニア大学のLukasz Bugaj博士であり、以前はLim博士のポスドク研究者であった。

オプトジェネティックスで突然変異や薬物による細胞増殖シグナルの破損を明らかに
Ras / Erk経路は複雑だが、その中心には細胞外からの増殖シグナルに応答して落ちるドミノのように互いに活性化する4つのタンパク質（Ras、Raf、Mek、Erk）のカスケードがある。適切な遺伝子プログラムでは、Rasは細胞膜を通過し入ってくるシグナルを受け取り、それらを最終的にErk（MAPキナーゼまたはMAPKとも呼ばれる）がシグナルを細胞核に輸送するまでRafとMekに伝達する。

以前は、増殖シグナルのタイミングが細胞の挙動にどのように影響するかについて研究者はほとんど理解していなかった。この問題に取り組むために、新研究では、Toettcher博士がLim研究室のポスドク時代に開発した新しい光発生ツールを使用した。このOptoSOSと呼ばれるツールは、精密に計時された光パルスに応答してRas活性を引き起こすように細胞内を操作することができる。

Ras活性化の異なるパターンに対する細胞の反応を追跡するために、研究者らは、OptoSOSシステムを健常細胞および癌性細胞の複数のラインに加工し、これらの細胞の異なるグループを実験室用ディッシュの小さなウェルのアレイに配置した。このプレートに、特別に設計されたデバイス（optoPlate）を照射ことによって、チームはさまざまなテストパターンで数百の異なる細胞実験グループを迅速に刺激し、同時に顕微鏡下で応答を読み取った。

これらの技術は、健常細胞が長期にわたる増殖シグナルに対して選択的に応答することを明らかにしたが、ちらつきのある信号は無視して、無関係な「ノイズ」であると捉える。 対照的に、ある非小細胞肺癌（NSCLC）細胞株は、これらの間欠的なノイズのあるシグナルを、より強く持続したシグナルとして誤って解釈し、過剰な増殖および腫瘍形成を引き起こすことが分かった。

Toettcher博士は、「癌生物学者は発癌性突然変異が経路を一定の高レベルに変えることを期待している。我々の研究は、突然変異細胞が依然として外部の入力を感知し、応答のダイナミクスを変えることができる第2の選択肢があることを示している。」と語った。 このシグナルの誤読は、B-Rafタンパク質の特定のタイプの突然変異が、入ってくる増殖シグナルのタイミングを崩壊させるために起こると思われ、Ras活性化の短いパルスが影響を受けた細胞内でより長い間影響することを発見した。これはピアノのサステインペダルが個々の音符を引き出して一緒にぼかしていく様子と同様である。

研究者らは、短時間のOptoSOS刺激パルスで健常細胞のRasを活性化すると、たった2分差でErkが再びオンしてオフになった。対照的に、B-Raf突然変異細胞では、OptoSOS刺激後にErk活性が消散するのに20分かかり、さらなる実験により、これは細胞増殖および増殖に関連する下流の遺伝子プログラムの活性化をもたらすことが示された。

研究者らは、Ras / Erkシグナル伝達経路の過剰活性コンポーネントを遮断することを意図した標的薬のいくつかは、B-Raf突然変異のようにシグナル伝達のフィデリティをぼかすかもしれないことを示した。特にベムラフェニブおよびSB590885（パラドックス活性化B-Raf阻害剤と呼ばれる一連の薬物）がOptoSOS刺激後にRas / Erk活性が停止するのに時間がかかり、これらの薬物の既知リスクを理解して患者の新たな腫瘍形成を誘発するのを助けることができるかもしれないことが分かった。
「この研究は、以前に評価されていなかった発癌性シグナル伝達の次元について教えており、増殖シグナル伝達のタイミングがより広範なヒトの癌において重要な役割を果たす可能性があることを示唆している。現場での標準である分類アプローチで癌ゲノムの配列決定するだけでは明らかにならない、機能レベルでのシグナル破壊を検出する能力を活用した将来の診断および治療機会が存在する可能性がある。」とBivona博士は述べた。

Lim博士は「オプトジェネティックスのような問いただすツールを使用して、細胞回路がどのように機能し、どのように破壊されるかを、より定量的かつ体系的に理解することができるようになった。このアプローチは、癌から自己免疫に至るまで、細胞内の誤った意思決定回路を含む多くの疾患において、何がうまくいかないかを明らかにするのに役立つかもしれない。」と付け加えた。

論文の著者には、UCSF、Howard Hughes Medical Institute Investigator、UCSF Systems＆Synthetic BiologyセンターのディレクターのWendell Lim博士、UCSF保健医療腫瘍学者であるTreber G. Bivona博士、UCSFの血液学および腫瘍学の助教授Jared Toettcher博士、ペンシルベニア大学のバイオエンジニアリング准教授であるLukasz Bugaj博士を筆頭著者としている。 UCSFのAmit J. Sabnis医学博士、Amir Mitchell博士、Joan E. Garbarino氏も追加著者であった。 Mitchell博士は現在マサチューセッツ大学医学部に在籍している。

optoPlateの設計に関しては、Lim博士、Bugaj博士らより特許出願がなされている。

【BioQuick News：Altered Timing in Growth Signaling May Be Key in Many Cancers; Novel Optogenetics Approach Reveals Importance of Precise Timing in Cellular Signaling Circuits】

生命科学出版部 発行書籍

【市場調査】理化学マーケティングリサーチ完全ガイド・ライフサイエンスツール編: 研究支援企業のための効果的な市場調査テクニック

ライフサイエンス研究支援事業をテーマに、マーケティングリサーチ（市場調査）の手法を解説！ 「マーケティングリサーチを実施すべきか迷っている」「具体的にどのように市場調査を進めればいいのかわからない」「今まで思いつきでアンケートの作成をしていた」「社内でどう結果報告すれば良いのか悩む」――。…

この本について詳しく知る